地鐵直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)故障點(diǎn)測距方法*

王開康 呂 意

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢∥第一作者， 正高級(jí)工程師)

地鐵具有速度快、無污染、工作安全可靠、準(zhǔn)時(shí)方便、乘坐舒適、占用地面空間少等明顯的優(yōu)勢，它已逐漸成為有效解決大中城市交通緊張狀況的首選[1]。但與此同時(shí)，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)因受天氣或人為因素的影響，存在發(fā)生故障的概率，給該系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)帶來了新的問題與挑戰(zhàn)。

接觸網(wǎng)是直流牽引供電系統(tǒng)中僅有的無后備部分，其工作狀態(tài)一直影響著該系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于列車在運(yùn)行過程中采用受電弓(集電靴)滑動(dòng)取流，且接觸網(wǎng)的一些構(gòu)件及導(dǎo)線容易受天氣因素影響進(jìn)而發(fā)生損壞，導(dǎo)致接觸網(wǎng)故障概率非常高；接觸網(wǎng)沿隧道壁敷設(shè)，排查尋找故障點(diǎn)的難度大和費(fèi)時(shí)長，將延誤列車的正常運(yùn)行。因此,如何快速而精確地測算出故障點(diǎn)的位置，成為直流牽引供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

在通常情況下，接觸網(wǎng)線路出現(xiàn)的故障大致可劃分為兩大主要類型：瞬時(shí)故障和永久故障。瞬時(shí)故障發(fā)生時(shí)，直流牽引系統(tǒng)可利用繼電保護(hù)裝置的重合閘功能恢復(fù)供電，但故障點(diǎn)仍是該系統(tǒng)運(yùn)行中的薄弱點(diǎn)，需及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并排除故障，避免發(fā)生二次故障進(jìn)而影響該系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行；而當(dāng)產(chǎn)生永久故障時(shí)，則需快速查明故障發(fā)生的位置并及時(shí)修復(fù)排除。因此，故障點(diǎn)測距方法的引入，不僅能為維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)和搶修線路提供便利，且能保證直流牽引系統(tǒng)的安全可靠供電，保障地鐵安全運(yùn)營。對直流牽引供電系統(tǒng)故障點(diǎn)測距技術(shù)進(jìn)行研究，是地鐵牽引供電系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行需求下的一個(gè)重要課題。

1 直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)故障點(diǎn)測距方法概述

由于直流牽引供電系統(tǒng)組成和運(yùn)行方式的相似性，既有的電力系統(tǒng)及電氣化鐵路中的故障點(diǎn)測距方法可為地鐵牽引供電系統(tǒng)的故障點(diǎn)測距提供參考。電力系統(tǒng)中最常用的故障點(diǎn)測距方法主要有兩種：故障點(diǎn)分析法和行波法[2]。其中：故障分析法也被稱為電阻法，該方法根據(jù)供電系統(tǒng)的相關(guān)電氣參數(shù)和測量到的故障時(shí)的電氣量，通過推導(dǎo)得到的公式計(jì)算出故障點(diǎn)的位置，這是一種傳統(tǒng)的故障點(diǎn)測距方法；行波法則是基于暫態(tài)行波在傳播過程中遇到波阻抗不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生的折射和反射原理，利用探測得到的行波波頭之間的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)測距。行波法中，波速是影響故障點(diǎn)定位精度的關(guān)鍵，波速的計(jì)算取決于大地電阻率的大小和接觸網(wǎng)架構(gòu)的配置。此外，行波測距需專門設(shè)備實(shí)現(xiàn)，投資較大。

直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)沿線的隧道內(nèi)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，不同區(qū)域地質(zhì)段的土壤電阻率也有所不同。且由于直流牽引供電系統(tǒng)的站間距太短，電壓等級(jí)低，行波過程不明顯[2]，采用行波法測距存在行波波頭檢測難度大和定位精度差等問題[3]，因此，行波法并不適用于直流牽引供電系統(tǒng)的故障點(diǎn)測距。

目前，地鐵主要采用DC 1 500 V或DC 750 V電壓等級(jí)的直流供電方式向列車供電，直流電壓、直流電流相比于交流有效信息較少，只有幅值或變化量等有效信息。在穩(wěn)態(tài)的條件下，為便于簡化分析，電容、電感等參數(shù)可不納入計(jì)算，為故障點(diǎn)分析法提供了便利。

根據(jù)測算時(shí)所使用的故障量的不同，故障點(diǎn)分析法又能劃分為單端法和雙端法兩類。單端法是利用牽引變電所饋線一側(cè)的電壓、電流量及必要的線路參數(shù)來計(jì)算故障點(diǎn)的位置的測距方法。單端法的設(shè)備簡單且容易實(shí)現(xiàn)，但由于只使用一個(gè)檢測端檢測到的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行故障點(diǎn)定位，因此過渡電阻對單端法的定位精度有一定的影響；且由于無法獲取對端的電氣量等信息，一旦對端系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生改變，單端法將無法準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)位置。因此從原理上分析可認(rèn)為，采用單端法不大可能得到較為精確的結(jié)果。雙端法是根據(jù)短路線路兩端的電氣量計(jì)算故障點(diǎn)位置，從原理上消除了過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)的影響。而且，隨著國內(nèi)電力系統(tǒng)自動(dòng)化和電力監(jiān)控技術(shù)水平的日益發(fā)展，電氣量采集與電力調(diào)度中心數(shù)據(jù)交換的速度和準(zhǔn)確度都有所提高，這也為雙端法提供了技術(shù)條件。

2 雙端故障點(diǎn)測距原理

2.1 直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為直流牽引供電系統(tǒng)雙邊供電方式示意圖，在一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)由兩個(gè)牽引變電所從m、n兩端為接觸網(wǎng)供電。牽引變電所將外部電源引入的35 kV交流電轉(zhuǎn)換為750 V / 1 500 V直流電，通過高速直流開關(guān)給接觸網(wǎng)供電，經(jīng)走行軌、回流電纜返回至變電所負(fù)極[1]。

注:表示電動(dòng)隔離開關(guān)圖1 直流牽引供電系統(tǒng)雙邊供電方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of bilateral power supply mode of DC traction power supply system

2.2 故障定位原理

圖2為直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的短路故障模型。

注：L——牽引變電所m、n之間的線路長度；Lm——故障點(diǎn)A到牽引變電所m之間的距離；Ln——故障點(diǎn)A到牽引變電所n之間的距離；Um、Im——分別為m端直流饋線保護(hù)動(dòng)作時(shí)的電壓、電流；Un、In——分別為n端直流饋線保護(hù)同時(shí)刻的電壓、電流；Rm,e——m端電源等效內(nèi)阻；Rm,j——m端接觸網(wǎng)短路電阻；Rm,g——m端走行軌短路電阻；Rn,e——n端電源等效內(nèi)阻；Rn,j——n端接觸網(wǎng)短路電阻；Rn,g——n端走行軌短路電阻；Rj——復(fù)線對側(cè)接觸網(wǎng)電阻；Rd——短路過渡電阻。圖2 直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的短路故障模型Fig.2 Short-circuit fault model of DC traction power supply system catenary

圖2中，直流牽引供電系統(tǒng)采用雙邊聯(lián)跳保護(hù)，若m端直流饋線保護(hù)先動(dòng)作，將發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)，啟動(dòng)n端保護(hù),反之亦然。可認(rèn)為輸電線電阻與長度成正比，即：

(1)

(2)

式中：

Rg——走行軌電阻參數(shù)。

為便于分析計(jì)算，對圖2中的直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的故障模型進(jìn)行電阻的Δ-Y等效變換，可以得到如圖3所示的等效電路。

注：Rm、Rn、Rc為等效電阻；A為故障點(diǎn)。圖3 直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)短路故障模型等效電路Fig.3 Equivalent circuit of catenary short-circuit fault model in DC traction power supply system

由圖3可得到計(jì)算式如下：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可對圖3中電路列如下方程：

(6)

求解式(6)可得：

(7)

進(jìn)而有：

(8)

由式(3)—(4)可知：

(9)

一般情況下Rm,e?Rj,Rn,e?Rj，故Rm,e、Rn,e可忽略。從而有：

(10)

所以可以得到故障點(diǎn)位置的計(jì)算公式為：

(11)

(12)

采用式(11)—(12)計(jì)算故障點(diǎn)距m、n兩端的距離，即可確定故障點(diǎn)的位置。

3 雙端故障點(diǎn)測距的實(shí)現(xiàn)方案

直流牽引供電系統(tǒng)雙端故障點(diǎn)測距方案如圖4所示。雙端故障點(diǎn)測距需要保證線路兩端電壓電流數(shù)據(jù)的同步獲取，因此需要引入時(shí)鐘同步單元，以確保兩端采集到的數(shù)據(jù)在時(shí)間上保持同步。時(shí)鐘同步單元可采用無線形式的時(shí)鐘同步方案(如 GPS(全球定位系統(tǒng)))或有線形式的時(shí)鐘同步方案。

圖4 直流牽引供電系統(tǒng)雙端故障點(diǎn)測距方案Fig.4 Dual-terminal fault location scheme of DC traction power supply system

通常情況下，對兩側(cè)變電所饋線直流保護(hù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測安裝處的母線電壓和饋線電流，當(dāng)直流牽引供電系統(tǒng)線路發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)所提出的故障點(diǎn)測距方案，保護(hù)裝置將自行進(jìn)行故障錄波，并將錄波數(shù)據(jù)中最大電流存儲(chǔ)發(fā)送到通信管理單元；兩個(gè)變電所直流饋線保護(hù)裝置通過通信管理單元實(shí)現(xiàn)聯(lián)跳，并利用聯(lián)跳通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳送；每側(cè)的數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)實(shí)際測距原理，利用雙端采樣的電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行故障點(diǎn)測距，計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。

為測試所提出的雙端故障點(diǎn)測距方法在現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行效果，將直流饋線保護(hù)裝置安裝于某地鐵直流牽引網(wǎng)進(jìn)行短路試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)段選取相距2.6 km的兩座牽引變電所m、n之間的供電區(qū)間。短路故障試驗(yàn)的測距結(jié)果如表1所示。從表1中的故障點(diǎn)測距結(jié)果可看出，本文所提出的方法具有較高的測量精度。

表1 兩端故障點(diǎn)測距試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Dual-terminal fault location test results

4 結(jié)語

在直流牽引供電系統(tǒng)中，供電線路故障后迅速且精確地測算故障點(diǎn)的位置，對及時(shí)進(jìn)行線路修復(fù)和保證安全可靠供電至關(guān)重要。本文提出了一種雙端故障點(diǎn)測距方法，根據(jù)故障發(fā)生時(shí)故障點(diǎn)兩端的兩個(gè)牽引變電所直流饋線保護(hù)裝置采集的電氣量，利用經(jīng)過推算得到的故障點(diǎn)測距公式計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。所提出的雙端故障點(diǎn)測距方法消除了過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)對計(jì)算結(jié)果的影響，可實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精確定位，為地鐵直流牽引供電系統(tǒng)提供了一種行之有效的故障點(diǎn)測距方法。